1.1. 연구의 배경

우리나라 전력계통은 발전원 입지의 비수도권 편중과 수도권 중심의 대규모 수요 구조로 인해 장거리·대용량 송전망에 대한 의존도가 매우 높은 특성을 갖는다.

특히 765kV 송전선로는 국내 간선 전력망의 핵심 축으로서 동서 및 남북 계통을 연결하는 주요 전력 수송 경로를 형성하고 있으며, 계통 안정도 및 전력 공급 신뢰도 확보에 결정적인 역할을 수행한다.

2011년 9월 15일 발생한 대규모 순환정전 사태 이후, 정부는 전력수급 안정성과 계통의 안전성을 강화하기 위해 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준 관련 운영 지침을 대폭 개정하였다^[1]. 765kV 송전선로 관련 내용은 이중고장시(N-2) 필요시 계통보강 등 필요한 대책을 수립·운영하는 것으로 개정되었다. 이는 국내 전력계통에 765kV 송전선로 도입시 이중고장 방지를 위한 여러 가지 대책을 충분히 반영되지 않은 상태에서 개정된 것으로 볼 수 있다.

이에 본 연구에서는 해외전력회사 신뢰도 기준 사례를 분석하고, 765kV 격상시 이중고장 방지대책 등을 분석하여 국내 전력계통 신뢰도 기준의 적정성에 대해 검토하고자 한다.

1.2. 해외 전력계통 신뢰도 기준의 동향

국외 전력계통은 단순한 설비 고장 중심의 결정론적 기준에서 벗어나, 사고의 발생 확률과 계통 영향도를 고려한 성능기반 또는 상태기반 신뢰도 체계로 발전하고 있다. 미국 NERC(North American Electric Reliability Corporation)는 P0∼P7 사고 등급을 기반으로 사고 심각도에 따라 허용 성능 수준을 차등 적용하는 사건 기반(event-based) 체계를 운영하고 있으며, 다중고장 시에는 제한적 부하차단을 허용한다.

유럽 ENTSO-E(European Network of Transmission System Operators for Electricity)는 정상·경보·비상 상태로 구분되는 상태 기반(state-based) 운영 체계를 통해 실시간 계통 상태를 고려한 유연한 운영 및 대응을 수행하고 있다.

일본 OCCTO(Organization for Cross-regional Coordination of Transmission Operators)는 조건부 N-1 및 인터트립 제도를 활용하여 설비 투자와 운영 유연성 간의 균형을 추구하고 있다.

이와 같이 해외 주요 전력계통은 다중고장을 저빈도·고영향 사고로 분류하고, 운영대책을 포함한 단계적 성능 요구를 적용하는 방향으로 신뢰도 기준을 고도화하고 있다.

1.3. 국내 전력계통 신뢰도 기준의 현황 및 쟁점

국내 전력계통 신뢰도 기준은 2011년 9월 순환정전 이후 강화되었으며, 765kV 송전선로에 대해 2회선 이중고장을 상정하는 방향으로 기준이 변경되었다. 이는 동일 철탑 병행 구조에서의 동시고장 가능성을 고려한 조치로 평가된다. 그러나 765kV 송전선로 2회선 상정고장 적용에는 다음과 같은 문제점이 제기되고 있다.

첫째, 실제 발생 확률에 비해 과도한 설비 보강 요구

둘째, 안정도 관점에서 단상 고장과 다상 고장의 구분 부족

셋째, 재폐로 성공 가능성을 고려하지 않은 보수적 상정

넷째, 해외 기준 대비 사고 분류 체계의 정밀도 부족

특히 동일 철탑 2회선 송전선로의 동시고장을 모든 경우에 계획기준으로 상정하는 것이 기술적·확률적·경제적으로 타당한지에 대한 재검토가 필요하다.

1.4. 연구의 목적

미국, 유럽 및 일본의 신뢰도 기준을 비교 분석, 국내 신뢰도 기준의 합리적 개정 여부 및 765kV 격상 추진시 이중고장 방지대책의 적정성 검토 통해 765kV 송전선로 신뢰도 기준의 합리적 개선 방향을 도출하고자 한다. 본 연구는 765kV 송전선로 이중고장(N-2)기준을 충족하기 위해 실제 필요한 송전망보다 훨씬 많은 송전망을 건설함으로 인해 민원 발생, 건설기간 장기화에 따른 막대한 송변전투자비가 발생한다. 또한 765kV 송전선로 이중고장 고려로, 동해안의 저원가 발전기(원전, 대형 석탄)를 세우고 수도권의 비싼 LNG 발전기를 가동하는 발전제약으로 인한 전력구입비 증가로 결국 전기요금 인상 요인이 발생한다.

2.1. 국내 전력계통 신뢰도 기준

국내 전력계통의 안정성 유지 기준은 전압 등급 및 계통의 중요도에 따라 차등 적용되며, 전력계통 신뢰도 및 전기품질 유지기준 제10조에서 이를 규정하고 있다. Table 1은 국내 전력계통의 상정고장 분류 기준을 나타낸 것으로, 154kV, 345kV 및 765kV 계통을 구분하여 상정고장(contingency) 발생 시 유지하여야 할 안정성 수준을 정의하고 있으며, 이는 국내 계통계획 및 운영의 기본 원칙으로 활용된다^[2].

154kV 계통은 방사상 계통과 주요 간선계통으로 구분된다. 방사상 계통의 경우 단일 고장(N-1) 발생 시 장시간 공급지장, 과도한 과부하 또는 저전압이 발생하지 않도록 요구하고 있으며, 이는 지역배전 계통의 특성을 반영한 최소 안정성 기준으로 볼 수 있다. 반면, 154kV 주요 간선계통은 단일 고장 시 안정성 확보뿐 아니라, 이중 고장(N-2)이 발생하더라도 발전기 정지, 대규모 공급지장 또는 고장파급 확대가 발생하지 않도록 규정하고 있어, 일부 계통에 대해 N-2 수준의 안정성을 요구하고 있다.

345kV 계통은 전국 간선망의 중추를 형성하는 전압 등급으로서 보다 강화된 안정성 기준이 적용된다. 방사상 계통은 단일 고장 시 안정성을 확보하여야 하며, 이중 고장 시에는 대규모 공급지장 발생 가능성에 대비하여 부하전환 등 운영대책을 수립·운영하도록 규정되어 있다. 주요 간선계통의 경우 단일 고장 시 공급지장, 과부하 및 저전압이 발생하지 않아야 하며, 이중 고장 발생 시에도 발전기 동기탈조, 대규모 공급지장, 고장파급 확대, 계통분리 및 전압불안정이 발생하지 않도록 요구된다. 또한 필요 시 고장파급방지장치(SPS) 설치 및 발전력 조정 등의 운영대책을 포함하고 있어, 정적 안정도뿐 아니라 동적 안정도까지 고려하고 있다.

765kV 계통은 국가 기간송전망으로서 가장 엄격한 안정성 기준이 적용된다. 단일 고장 발생 시 공급지장, 과도한 과부하 또는 저전압이 발생하지 않아야 하며, 이중 고장 발생 시에도 발전기 동기탈조 방지, 대규모 공급지장 방지, 고장파급 확대 방지, 계통분리 방지 및 전압불안정 방지를 요구한다. 이를 위해 설비 유지관리 강화, 필요 시 계통보강, 고장파급방지장치 설치 및 발전력 조정 등 종합적인 대책을 수립·운영하도록 규정하고 있다. 또한 광역정전 또는 계통 불안정 우려 시 다중고장에 대한 추가 검토가 가능하도록 규정되어 있어, 765kV 계통은 사실상 N-2 이상 수준의 검토 체계를 포함하고 있는 것으로 해석된다.

2.2. 9.15 순환정전 이후 신뢰도 기준

2011년 9월 15일 발생한 전국적 순환정전 사태는 국내 전력수급 관리체계의 구조적 취약성을 드러낸 중대한 사고였다^[3]. 당시 기록적인 늦더위와 발전설비 고장, 예방정비 집중 등으로 예비전력이 급감하였으며, 이에 따라 사전 예고가 충분하지 않은 상태에서 순환정전이 시행되었다. 약 160만호 이상이 정전 피해를 입었고, 산업계와 사회 전반에 상당한 혼란이 초래되었다. 이 사건은 예비력 관리의 중요성과 체계적인 위기 대응 시스템의 필요성을 부각시켰다.

순환정전 이후 2012년 개정 기준은 기존 2009년 기준 대비 동적 안정도 개념을 명문화하고, 765kV 계통의 광역계통 영향성을 고려한 안정성 요구수준을 강화하였다. 특히 발전기 동기탈조, 계통분리 및 전압불안정 등 과도현상을 명시함으로써 안정성 개념이 정태 중심에서 동태적 계통안정성까지 확장되었다는 점에서 제도적 진전이 확인된다. 9.15 순환정전은 9월 중순임에도 이례적인 늦더위로 냉방부하 급증, 일부 발전기 고장 정지 등 최대전력수요 예측 실패에 기인한 것이다.

9.15 순환정전 이후 Table 2와 같이 “765kV 2회선 동시고장시 필요시 계통보강 등 필요한 대책을 수립·운영하여야 한다.”는 내용으로 개정되었다. 이것은 765kV 격상 추진시 송전선로 이중고장 방지를 위한 여러 가지 대책과 9.15 순환정전이 765kV 송전선로 2회선 고장으로 발생한 것이 아님에도 불구하고 개정된 점은 합리적 재검토가 필요함을 시사한다.

또한, Table 2는 9.15 순환정전의 실제 발생 원인과 765kV 신뢰도 기준 개정 배경을 비교하여 나타낸 것이다. 이를 통해 사고의 주요 원인과 기준 개정 방향 간의 차이를 직관적으로 확인할 수 있으며, 현행 기준 적용의 타당성에 대한 재검토 필요성을 시사한다.

2.3. 미국 NERC 신뢰도 기준

미국 전력계통의 계획 단계 신뢰도 기준은 북미 전력계통신뢰도기구(NERC)가 제정한 TPL-001-5.1(Transmission System Planning Performance Requirements)에 의해 규정된다. 본 표준은 광역전력계통(Bulk Electric System, BES)이 다양한 계통 조건과 상정고장(Contingencies) 하에서도 신뢰성 있게 운영될 수 있도록, 계획 단계에서 충족해야 할 성능요건을 요구사항(Requirements)과 측정기준(Measures)의 형태로 명문화한 규제 표준이다. TPL-001-5.1은 상정고장을 P0∼P7로 구분하여 상정 고장별 허용범위를 차등화하며, 특히 동일 철탑 2회선 동시 상실(P7)과 같은 다중고장에 대해서는 부하차단 및 송전서비스 중단을 허용한다. 이는 다중고장 영역에서 “절대 무정전 유지”를 일률적으로 요구하기보다는, 계통 파급 최소화와 현실적 대응 가능성을 고려한 단계적 성능 요구 구조를 채택하고 있음을 의미한다. 다만, 이러한 허용은 무제한적 조치가 아니라, 성능 미달 시 시정조치계획(CAP) 수립 및 후속 연례평가에서의 지속적 검토를 전제로 한다는 점에서, 부하손실은 최후수단적 성격을 갖는다^[4].

2.4. 유럽 ENTSO-E 신뢰도 기준

유럽 전력계통의 운영 신뢰도 기준은 European Network of Transmission System Operators for Electricity(ENTSO-E)가 수립하고, EU 차원에서 법적 구속력을 갖는 Commission Regulation(EU) 2017/1485(System Operation Guideline, SOGL)에 의해 규정된다.

유럽은 운영 단계에서 상시 계통상태 판정 및 반복적 사고해석 수행을 의무화하고 있으며, 재급전(redispatch), 카운터트레이딩(countertrading), HVDC 제어 등 시장 기반 조치와 기술적 보완조치를 통합하여 신뢰도 유지 수단으로 활용한다. 이는 계획 단계의 성능 충족 여부를 중심으로 하는 체계와 달리, 실시간 운전 단계에서의 대응능력을 중시하는 구조이다.

송전선로 2회선 동시 상실과 같은 공통원인 다중고장은 일반적으로 예외적 비상사태(exceptional contingency)로 분류될 수 있으나, 해당 사고가 사고목록에 포함되는 경우에는 정상상태 유지 요건이 강화된다. 반면 실제 사고 발생 후 운영상 안전한계가 위반되면 계통은 비상상태로 전이된다. 비상상태에서는 Commission Regulation (EU) 2017/2196(NC ER)에 따른 계통방어계획(System Defence Plan)과 복구계획(Restoration Plan)이 적용되며, 계통 분리, 선택적 부하차단, 자동 주파수 방어조치 등의 시행이 허용된다. 그 목적은 연쇄고장 및 광역정전의 확산을 방지하고, 가능한 한 신속하게 정상 또는 경보상태로 복귀하는 데 있다^[5].

2.5. 일본 광역계통운영기관(OCCTO) 신뢰도 기준

일본 전력계통의 송·배전설비 개발 및 신뢰도 확보 체계는 운영규칙 제54조부터 제68조까지에서 규정된다. 일본 전력계통 성능요건 체계는 성능기준 기반 계획 체계, 조건부 N-1 허용 구조, N-1 인터트립 제도의 적극적 활용, 경제성 고려 명문화, 시장제도(FIT/FIP)와 신뢰도 기준의 연계 등의 특징이 있다.

이는 전통적으로 엄격한 N-1 적용 체계와 비교할 때, 보다 유연하고 운영 연계적인 신뢰도 확보 구조로 평가된다. 일본의 상정고장(N-2)은 발생빈도가 극히 낮기에 일부전원 탈락 혹은 일부지역의 정전을 허용하며 그 여파를 최소화 할 수 있도록 조치하고 있다^[6].

2.6. 국내외 신뢰도 기준 비교

Table 3은 국내와 미국(NERC), 유럽(ENTSO-E), 일본(OCCTO)의 이중고장 신뢰도 기준을 사건 분류, 성능 요구 수준 및 운영 허용 범위 측면에서 비교한 것이다. 국내는 병행 2회선 고장을 계획단계에서 N-2로 직접 적용하여 무정전 유지 중심의 결정론적 기준을 채택하고 있는 반면, 미국, 유럽 및 일본은 이를 저빈도 고위험 사고로 분류하고 사고 심각도에 따라 부하차단, 발전기 차단 등 제한적 운영조치를 허용하는 성능기반 또는 상태기반 접근을 적용하고 있다.

3.1. 가공지선 및 차폐각 설계에 의한 낙뢰 사고 저감

가공송전선로에서 낙뢰는 주요 고장 원인 중 하나이며, 특히 동일 철탑 병행 2회선 송전선로의 경우 낙뢰에 의해 동시고장이 발생할 가능성이 존재한다. 이를 방지하기 위하여 765kV 송전선로에는 가공지선과 차폐각 설계가 적용된다.

가공지선은 송전선로 상부에 설치되어 낙뢰를 우선적으로 흡수하여 대지로 방전시키는 역할을 수행하며, 차폐각은 낙뢰가 송전선로 도체에 직접 침입하는 것을 방지하는 중요한 설계 요소이다. 765kV 송전선로에서는 차폐각을 –8° 수준으로 강화하고 최외측 도체보다 충분한 여유를 확보함으로써, 낙뢰에 의한 2회선 동시 사고 발생 가능성을 최소화하도록 설계되어 있다^[7].

이와 같은 설계는 단순한 절연 성능 확보를 넘어, 동일 원인(Common Mode)에 의한 병행 2회선 동시고장 발생 확률을 구조적으로 저감하는 역할을 수행한다.

3.2. 다상재폐로 및 HSGS(High-Speed Grounding Switch) 적용에 의한 계통 유지 능력 향상

송전선로 고장은 대부분 일시적 고장(Transient Fault)의 특성을 가지며, 이를 효과적으로 제거하고 계통을 신속히 복구하기 위해 재폐로 방식이 적용된다. 특히 765kV 송전선로에서는 다상재폐로 방식을 채택하여 고장상만을 선택적으로 차단하고 건전상은 계속 운전하는 구조를 갖는다^[8]. 다상재폐로는 단일상 고장 시 건전상의 전력전송을 유지함으로써 계통 안정도를 향상시키며, 고장 제거 후 신속한 재투입을 통해 계통의 연속 운전을 가능하게 한다. 이는 병행 2회선 송전선로에서 고장 발생 시 전체 회선 정지로 확대되는 것을 방지하는 데 중요한 역할을 한다.

또한 765kV 송전선로에서는 HSGS(High-Speed Grounding Switch)가 함께 적용되어 재폐로 성능을 향상시킨다. HSGS (High-Speed Grounding Switch)는 고장 제거 후 개방된 고장상에 대해 일시적으로 접지를 수행함으로써, 건전상으로부터의 정전유도 및 정전결합에 의해 발생하는 잔류전압을 신속히 소멸시키는 기능을 수행한다. 이를 통해 재폐로 시 절연회복 조건을 개선하고 재폐로 성공률을 향상시킬 수 있다. 특히 병행 2회선 송전선로에서는 건전 회선과의 정전결합 및 전자유도에 의해 고장상에 잔류전압이 발생할 수 있으며, 이는 재폐로 실패 및 다상 고장으로의 확대 가능성을 증가시키는 요인이 된다. HSGS(High-Speed Grounding Switch)는 이러한 잔류전압을 효과적으로 제거함으로써 단일상 고장이 다상 고장 또는 2회선 동시고장으로 확대되는 것을 방지하는 데 기여한다.

따라서 다상재폐로와 HSGS(High-Speed Grounding Switch)의 결합 운전은 단순한 고장 복구 기능을 넘어, 병행 2회선 동시 정지로의 확대를 억제하는 핵심적인 운영 대책으로 볼 수 있다.

3.3. 고속·고신뢰 보호계전 시스템

765kV 송전선로는 계통 안정도에 미치는 영향이 매우 크기 때문에, 고장 발생 시 이를 신속하고 정확하게 검출하고 제거하는 보호계전 시스템이 필수적으로 요구된다. 고속 거리계전기 및 전류차동계전기 등은 고장 발생 시 수 사이클 이내에 고장을 제거하여 계통의 동요를 최소화하며, 이는 발전기 동기 안정도 유지에 중요한 역할을 한다. 또한 보호계전 시스템의 고신뢰성은 오동작 및 미동작을 방지하여 불필요한 계통 분리나 확대 사고를 예방한다.

이와 같은 보호계전 체계는 고장의 영향을 국지적으로 제한함으로써, 단일 고장이 병행 2회선 고장으로 확대되는 것을 방지하는 핵심 요소이다.

3.4. 보호 시스템 신뢰성 및 운영 가이드라인

다중고장 시 발전기 탈락 및 부하차단을 허용하는 성능기반 신뢰도 기준을 적용하기 위해서는, 고도의 자동화된 보호 및 제어 시스템의 신뢰성과 이에 대한 기술적·운영적 방어기제가 전제되어야 한다.

특히 국내 전력계통은 대용량 장거리 송전 구조와 수도권 집중 부하 특성으로 인해, 보호시스템의 오동작 또는 부동작이 광역 정전으로 확대될 가능성이 존재한다.

따라서 기준 완화는 단순한 허용 기준 변경이 아니라, 다음과 같은 보호 및 운영 체계의 강화와 병행되어야 한다.

첫째, 보호계전 및 고장파급방지장치(SPS)에 대해서는 다중 보호계층(Multi-layer protection) 및 이중화 구성을 통해 오동작 및 부동작에 대한 내성을 확보할 필요가 있다.

둘째, 다중고장 시 계통 안정도 유지를 위해 단계적 부하차단 및 발전기 차단 기준의 체계적 적용이 필요하다. 주파수 및 전압 수준에 따라 자동 부하차단을 순차적으로 적용하고, 필요시 발전기 차단을 수행하는 구조가 요구된다.

셋째, 자동제어 중심 운영의 한계를 보완하기 위해 운영자 개입 기반의 보완조치(재급전, 발전기 출력 조정 등)와 자동제어 간 협조 운용 체계 구축이 필요하다.

넷째, 보호시스템 오동작에 따른 계통 위험을 최소화하기 위해 사전 시나리오 기반 해석, 보호계전 협조 검토 및 정기적인 시험·운영 절차 정립이 요구된다.

3.5. 2회선 고장 예방 대책의 종합적 시사점

이상과 같이 765kV 송전선로에는 낙뢰 저감을 위한 차폐각 및 가공지선 설계, 계통 유지 능력 향상을 위한 다상재폐로(HSGS 포함), 신속한 고장 제거를 위한 보호계전 시스템 등 다양한 설계 및 운영 대책이 적용되어 있다. 이는 765kV 송전선로가 단순히 고장 발생을 고려하는 수준을 넘어, 병행 2회선 동시고장의 발생 가능성을 구조적으로 억제하도록 설계된 계통임을 의미한다. 또한 이러한 설계적·운영적 대책과 더불어, 보호시스템의 신뢰성 확보 및 운영 가이드라인을 통한 대응 능력은 다중고장 발생 시 계통 안정성 유지에 중요한 역할을 수행한다. 따라서 병행 2회선 고장을 모든 경우에 동일한 수준의 계획기준(N-2)으로 적용하는 것은, 이와 같은 예방 대책에 의해 저감된 실제 사고 발생 가능성과 보호·운영 체계의 대응 능력을 충분히 반영하지 못할 수 있으며, 결과적으로 기준 적용의 보수성이 과도하게 나타날 가능성이 있다.

이에 따라 765kV 송전선로의 신뢰도 기준은 단순한 결정론적 접근에 의존하기보다, 사고 발생 가능성, 계통 영향, 그리고 설계 및 운영 대책의 효과를 종합적으로 고려하는 위험기반 및 성능기반 접근으로 재검토될 필요가 있다.

4.1. 해석 조건 및 계통 모델

제10차 전력수급기본계획상 2025년 하계피크 계통 DB를 기준으로 사용하여 765kV 송전선로 고장 시 과도안정도를 해석하였다. 사고 발생 전 정상상태는 해당 DB의 발전기 출력, 부하 분포 및 송전선로 조류계산 결과를 반영한 운전점으로 설정하였다^[9].

과도안정도 해석은 PSS/E를 이용하여 수행하였으며, 발전기는 관성정수와 여자기 및 조속기 특성이 반영된 동기기 모델로 구성하였다. 부하는 정전력 특성을 기준으로 모델링하였고, 송전선로 및 변압기 정수는 계통 DB의 설비 정수를 반영하였다. 고장 조건은 765kV 송전선로의 1회선 고장과 동일 루트 병행 2회선 고장으로 구분하였으며, 고장 발생 후 보호계전기 동작 및 차단기 차단에 의해 고장을 제거하는 조건으로 설정하였다. 또한 실제 운전 특성을 반영하기 위하여 재폐로 적용 여부를 함께 고려하였다.

4.2. 765kV 1회선 고장 시 과도안정도 검토

Fig. 1은 765kV 신태백–신가평 송전선로 1회선 고장 시 발전기 위상각 응답을 나타낸 것이다. 고장 발생 직후 위상각은 약 80° 수준까지 증가하였으나, 이후 감쇠 진동 형태를 보이며 약 60° 부근에서 안정적으로 수렴하는 특성을 나타냈다.

이는 고장 제거 이후 계통이 정상 상태로 복귀하면서 발전기 간 동기 상태가 유지되고 있음을 의미하며, 동기탈조나 계통 분리와 같은 불안정 현상은 발생하지 않았다. 따라서 1회선 고장 조건에서는 과도안정도가 확보된 안정한 계통 상태로 판단된다.

Fig. 1. Rotor angle response under 765kV single-circuit fault

4.3. 765kV 2회선 고장 시 과도안정도 검토

Fig. 2는 765kV 신태백–신가평 송전선로 병행 2회선 고장 시 발전기 위상각 응답을 나타낸 것이다. 고장 발생 이후 위상각은 급격히 증가하여 약 180°를 초과하였으며, 이후에도 지속적으로 발산하는 형태를 보였다.

이는 발전기 간 동기 상태가 유지되지 못하고 동기탈조(step-out)가 발생하였음을 의미하며, 계통이 과도안정도를 상실한 상태로 판단된다. 특히 고장 제거 이후에도 위상각이 안정화되지 않고 지속적으로 증가하는 것은 병행 2회선 고장이 계통의 주요 전력전송 경로를 상실시켜 계통 불안정을 유발하는 대표적인 사례로 해석된다.

Fig. 2. Rotor angle divergence under 765kV double-circuit fault

4.4. 시사점 및 기준 적정성 검토

2026년 봄철 동해안지역 전력계통 운영방안에 따르면 765kV 신태백-신가평T/L 2회선 고장시 계통안정성을 고려하여 하계기준 동해안 발전기 발전제약량이 약 5.1GW 수준으로 제시되고 있다^[10]. 이는 신뢰도 기준의 합리적 조정을 통해 동해안 지역의 발전제약이 완화될 수 있음을 시사한다.